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RES Les réseaux cours RES-2.2 Le bus AS-I / CAN
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1- Introduction : quelques bases sur les réseaux
1-1 Pyramide du CIM (Computer Integrated Manufacturing)
Le Computer Integrated Manufacturing (CIM) est un concept décrivant l'automatisation complète des
processus de fabrication. C’est-à-dire que tous les équipements d’une usine fonctionnent sous le contrôle
permanent des ordinateurs, automates programmables et autres systèmes numériques.
Un niveau supérieur décide ce qu'un niveau inférieur exécute.
Il s'agit d'une représentation comportant 4 niveaux auxquels correspondent des niveaux de décision.
Les « fournisseurs de communication » adaptent les performances de leurs réseaux en fonction des
niveaux du CIM sur lesquels ceux-ci seront positionnés. Il en résulte que presque tous les réseaux
d'automatismes sont dits « propriétaires ».
Les constructeurs d’automates programmables ont créé des réseaux et des bus adaptés aux
besoins. Ainsi à chaque niveau, correspond un bus ou un réseau :
ANALYSER
Identifier les architectures matérielles et fonctionnelles d’un réseau de communication
Cours Cours RES 2.2 TSI1 TSI2
Les réseaux X
Période
Les bus de terrain : Protocole As-i et CAN 1 2 3 4 5
Cycle 7 : Matériaux / Réseaux Durée : 2 semaines X
FIG. 1: CHAQUE NIVEAU UN BUS OU UN RESEAU.
Réseaux informatiques ETHERNET
MMS
Réseaux locaux industriels
ETHWAY
FIPWAY
PROFIBUS
FMS
Bus de terrain FIPIO
MODPLUS+
INTERBUS-S
PROFIBUS DP
DEVICE NET
Bus capteurs
actionneurs AS-i
CAN
SERIPLEX
INTERBUS LOOP
Pilotage
de
machine
Pilotage de
processus
Évolués
Messages longs
Tps de réaction peu critique
Simples
Messages courts
Tps de réaction rapides
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➢ Les "sensor bus", bus capteurs et actionneurs unitaires simples,
➢ les "device bus", bus et réseaux pour la périphérie d’automatisme : variateurs, robots, axes…
➢ les "field bus", réseaux de communication entre unités de traitement: automates programmables, superviseurs, commandesnumériques …
➢ les réseaux locaux industriels, pour l'établissement de la communication entre l’automatisme et le monde informatique.
1-2 Le modèle OSI (Open System Interconnection) :
Modèle théorique de communication entre ordinateurs proposés par l’ISO.
C’est une architecture de référence, en 7 couches, qui définit la façon dont les informations sont traitées
entre le matériel et les logiciels d’application.
Les messages sont échangés uniquement entre deux couches adjacentes.
Lorsque deux hôtes
communiquent, on parle de
communication d'égal à égal ;
c'est-à-dire que la couche n de
la source communique avec la
couche n du destinataire.
2- Le bus AS-I :
2-1 Définition :
AS-i (ActuatorSensor interface) est un bus de capteurs et d'actionneurs. Il est déterministe avec des temps
de réponse très courts. Il s'appuie sur un standard industriel ouvert soutenu par l'association AS-i
(http://www.as-interface.net).
AS-i offre l'avantage de ne pas être un réseau propriétaire. Son raccordement vers le niveau supérieur
dans la hiérarchie des réseaux peut être réalisé au travers des passerelles ou en utilisant les capacités de
communication d'un coupleur de bus (automate…).
Abonné récepteur Abonné émetteur
Application
Présentation
Session
Transport
Réseau
Liaison
Physique
COUCHE 7
COUCHE 6
COUCHE 5
COUCHE 4
COUCHE 3
COUCHE 2
COUCHE 1
COUCHE 7
COUCHE 6
COUCHE 5
COUCHE 4
COUCHE 3
COUCHE 2
COUCHE 1
Médium
FIG. 2: ÉCHANGE DE DONNEES ENTRE DEUX ABONNES SUIVANT LE MODELE OSI
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2-2 Son modèle OSI :
Il est basé sur un profil simplifié dans lequel sont supprimées les couches réseau, transport, session, et
présentation (couches 3 à 6). Le gain en rapidité est significatif.
Couche 1 (couche physique) :
Assure la transmission d‘une suite de bits sur le média de
transmission.
Décrit les interfaces mécaniques (connecteurs) et électriques.
Décrit les mécanismes d‘activation et de désactivation des
connexions physiques.
Décrit les protocoles d‘échange de bits (informe la couche
supérieure en cas de problème de transmission physique).
Décrit le support de transmission (médium).
Dans le cas D’AS-interface :
La Topologie est libre.
➢ Le support de transmission est réalisé par un simple câble à deux conducteurs. Un câble spécifique détrompé et auto cicatrisant de couleur jaune peut être utilisé. Il véhicule l’alimentation des esclaves et en superposition les données.
➢ La longueur du câble est déterminée par la progression
du signal sur le câble et la chute de tension de ce dernier.
Ces deux paramètres autorisent une distance maximale
de 100 m entre l'esclave le plus éloigné et le maître.
Deux types d'équipements placés sur la couche physique permettent d'augmenter cette longueur :
100 m 100 m
300 m
100 m 100 m
50
0 m
100 m
100 m
Alimentation
Maître
Esclave Esclave Esclave Esclave Esclave
Esclave Esclave Esclave Esclave
Répéteur Répéteur
Répéteur Répéteur
Esclave Esclave Esclave Alimentation Alimentation
Esclave Esclave Alimentation Alimentation
FIG. 3 : MODELE OSI D'AS-INTERFACE
COUCHE 1
COUCHE 2
COUCHE 3
COUCHE 4
COUCHE 5
COUCHE 6
COUCHE 7
Physique
Liaison
Réseau
Transport
Session
Présentation
Application
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➢ Les répéteurs régénèrent les signaux et permettent de connecter deux segments du bus AS-Interface. Chaque segment peut mesurer 100 m. Deux répéteurs en cascade sont autorisés au maximum. La distance entre un esclave et son maître ne peut pas dépasser 300 m.
➢ Les terminaisons de ligne passives ou actives permettent d'augmenter la longueur du segment jusqu’à 200 m
➢ Les données binaires subissent un traitement particulier :
- encodage suivant un code Manchester II,
- modulation basée sur le principe des impulsions alternatives (APM) fournissant un signal de type sin².
Elles sont ensuite transformées en une suite d’impulsions de courant qui seront converties en tension par le
câble AS-i.
FIG. 5 : TRAITEMENT DES DONNEES BINAIRES
0 0 0 0
0 0
1 1
1 2 4 5 3 6 Bit N°
Données
émises
Données
codées
Manchester II
ModulationAP
M
(signal sin²)
Courant
émis
60 mA
+2V
-2V
L'augmentation d'impulsions (2 par bit) :
Synchronisation plus facile à réaliser et
identification d'erreur efficace grâce à la
redondance
L'impulsion sin² :
Spectre de fréquence de bande étroit et
réduction des réflexions à la fin du câble.
Le signal sans composante DC : Exigé
quand les données et l’alimentation sont
combinées sur le même câble.
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Couche 2 (liaison) :
Assure la transmission sans erreur d‘un bloc de données (trame).
Permet le transfert fiable d‘informations entre systèmes connectés.
Structure les données sous forme de trames.
Détecte les erreurs de transmission et provoque éventuellement la correction (retransmission).
Régule le flux d‘informations sur la liaison.
ANALYSER
Décoder une trame en vue d’analyser les différents champs
Dans le cas D’AS-interface :
Le maître émet une requête sous forme de trame et attend la réponse de l’esclave pendant un certain
temps. Au-delà de ce dernier, s’il n'a pas reçu de réponse valide, le maître considère la réponse comme
négative et peut réémettre sa requête ou envoyer la requête suivante. Après réception d'une réponse
correcte, le maître respecte un temps de pause, puis aborde une nouvelle transaction.
Le temps de bit est de 6 μs, Soit un débit de données brutes de 166,67 kbit/s. La durée de cycle maximal
de 5 082 μs, soit 5 ms.
Couche 7 (application) :
Fournit les divers services de communication :
Définit les mécanismes communs aux applications réparties et la signification des informations échangées
et contient les interfaces entre le bus de terrain et les systèmes utilisateurs.
REQUETE MAITRE PAUSE
MAITRE REPONSE ESCLAVE
PAUSE
ESCLAVE REQUETE MAITRE
temps 84s 18 à60s 42s 6 à12s 84s
TRAME TRAME
FIG. 6: ECHANGES MAITRE/ESCLAVE
FIG. 7: CONSTITUTION D'UNE TRAME MAITRE
5 bits d'adresse esclave (1 à 31)
0 réservé à la fonction adressage
automatique
5 bits d'information
Fonction du type de requête
I3 permet la sélection A/B (AS-i V2.1)
ST CB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EB
Bit de
début
ST=0
Bit de fin
EB = 1 Bit de contrôle
0 = échange de paramètres, données, définis par I0 à I4
1 = commande définie par I0 à I4
Bit de contrôle de parité paire
n’incluant pas le bit de fin
FIG. 8: CONSTITUTION D'UNE TRAME ESCLAVE EN REPONSE A UNE REQUETE MAITRE
ST I3
Bit de
début
ST=0
I2 I1 I0 PB EB
Bit de contrôle de parité paire
n’incluant pas le bit de fin
Bit de fin
EB = 1
4bits d'informations
retournées au Maître
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Dans le cas D’AS-interface :
Tableau regroupant les différentes requêtes pouvant être envoyées par le Maître et les réponses attendues
en retour par l’Esclave.
Maître Esclave
CB A4………A0 I4 I3………I0 I3………I0
Échange de données 0 Adresse 0 Sorties Entrées
Écriture et lecture de
paramètres 0 Adresse 1
Nouvelle
configuration
Nouvelle
configuration
Attribution d'adresse 0 0 Nouvelle
adresse Nouvelle adresse
Suppression
d’adresse 1 Adresse 0 0000
Acquittement par
l’esclave → 0110
Réinitialisation
d'esclave 1 Adresse 1 1100
Acquittement par
l’esclave → 0110
Lecture de la con-
figuration des
entrées/sorties
1 Adresse 1 0000 État de configuration
Lecture de
l'identificateur de
l'esclave
1 Adresse 1 0001 Code ID
Lecture de l'état de
l'esclave 1 Adresse 1 1110 Statuts
Lecture et remise à
zéro des bits d'état 1 Adresse 1 1111
Renvoi l’état puis
RAZ
FIG. 9 : TABLEAU DE REQUETES
Exemple : requête du maître pour forcer les 4 sorties d’un nœud esclave Tout Ou Rien d’adresse 5 à la
valeur 3.
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2-3 Structure matérielle d’un bus AS-I :
Le bus AS-i est constitué :
• D’une alimentation spécifique AS-i.
• D’un maître AS-i.
• D’esclaves AS-i.
Caractéristiques de l’alimentation :
• Mode différentiel et TBTS : Bonne immunité aux perturbations.
• Transmission par courant porteur : Un seul câble alimente les esclaves et véhicule les données.
U alim
30V
Alimentation + transfert des données
L
R AS-I + V +
R
L AS-I - V-
C
C
Primaire
Redressement Découplage
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3- Le bus CAN : Controller Area Network
3-1 Présentation
Le CAN a été lancé en 1990 pour répondre aux besoins de l'industrie automobile devant la montée de
l'électronique embarquée. En 2005 une voiture moyenne comporte une centaine de microcontrôleurs.
Pour éviter les 2 kms de câblage d'une grosse voiture actuelle, soit 100 kg de cuivre, il fallait définir un
bus série simplifiant énormément l'intégration des fils dans le châssis.
En pratique, il y a trois bus CAN différents dans une voiture, à des débits différents :
• un bus très rapide pour gérer la sécurité (freinage, ABS, détection chocs, airbags...) ;
• un bus à vitesse moyenne pour gérer le moteur (commandes et capteurs) ;
• un bus lent pour gérer tous les accessoires (lampes, moteurs d’asservissements, boutons...).
Il existe sous deux versions :
• CAN2.0A : trame standard identificateur de 11 bits (CAN standard) ;
• CAN2.0B : trame plus longue avec identificateur sur 29 bits (CAN étendu).
Il existe également deux types différenciés par leur
débit :
• le CAN Low Speed ;
• le CAN High Speed.
3-2 Principe de l’arbitrage
Le procédé d'attribution du bus est basé sur le principe de "l'arbitrage bit à bit", selon lequel les nœuds en compétition, émettant simultanément sur le bus, comparent bit à bit l'identificateur de leur message avec celui des messages concurrents. Les stations de priorité moins élevée perdront la compétition face à celle qui a la priorité la plus élevée.
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Les stations sont câblées sur le bus par le principe du "ET câblé". En cas de conflit c'est à dire émission simultanée, la valeur 0 écrase la valeur 1.
Dans l'exemple ci-dessus, trois stations émettent simultanément :
• la station 1 perd la compétition puis la station 3 ;
• seule la station 2 pourra transmettre.
On appelle donc "état dominant" l'état logique 0, et "état récessif" l'état logique 1. Lors de l'arbitrage bit à bit, dès qu'une station émettrice se trouve en état récessif et détecte un état dominant, elle perd la compétition et arrête d'émettre. Tous les perdants deviennent automatiquement des récepteurs du message, et ne tentent à nouveau d'émettre que lorsque le bus se libère.
3-3 Les signaux du bus CAN
La transmission des données est effectuée sur une paire filaire différentielle. La ligne est donc
constituée de deux fils. Et les niveaux logiques (récessifs et dominants) sont obtenus par la différence
de potentiel entre les deux voies CAN L et CAN H.
Les niveaux de tension sur CANL et CANH dépendent du type Low Speed ou High Speed du bus.
Ces niveaux de tension correspondent à un codage dit NRZ (No Return to Zero : il n’y a jamais de courant nul sur la ligne. La masse n’est plus utilisée et les niveaux logiques correspondent à 2 niveaux de tensions distincts).
Débit max: 125Kbits/s Débit max: 1Mbits/s
3-4 Constitution d’une trame en format standard
ANALYSER
Décoder une trame en vue d’analyser les différents champs
Une trame se répartie en 7 champs :
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Le début de trame SOF (Start Of Frame), 1 bit dominant ; la ligne étant précédemment au repos.
Composée de 12 bits (zone d'identification de la trame (11 bits + RTR) :
• les 11 premiers indiquent l’identité du contenu du message, et servent également à l’arbitrage (gestion des priorités)
• bit RTR (Remote Transmission Request) : détermine s'il s'agit d'une trame de données (ex : régime moteur) ou d'une trame de demande de message (ex : demande de T° eau). Le bit à 0 (dominant) pour une trame de données et le bit à 1 (récessif) pour une trame de demande.
Champ de commande constitué de 6 bits :
• les 2 premiers serviront pour une éventuelle évolution du protocole (bits de réserve) ;
• les 4 derniers permettent de coder le nombre d’octets du champ de données .
Ce champ contient de 0 à 8 octets de données (64 bits maxi)
Zone CRC (Cyclic Redundancy Code) de 15 bits : Ces bits sont recalculés à la réception et comparés
aux bits reçus. S'il y a une différence, une erreur CRC est déclarée.
Zone d'acquittement (ACKnowledge) composé d'un bit à l'état récessif ainsi qu'un bit séparateur ACK.
Le premier bit doit être forcé à l'état dominant par les stations ayant bien reçu cette trame.
Zone de fin de trame EOF (End Of Frame), 7 bits récessifs (à l’état 1).
Remarque : 3 bits à l’état 1 séparent obligatoirement 2 trames consécutives
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3-5 Trame au format étendu
Champ d’arbitrage :
• SRR (Substitute Remote Request).
• IDE (Identifier Extension bit) qui établit la distinction entre format standard (état dominant) et format étendu (état récessif).
• RTR (Remote Transmission Request) détermine s'il s'agit d'une trame de données ou d'une d'une trame de demande de message.
3-6 Exemples